چکیده: با توجه به سادگی، ارزانی، قابلیت اطمینان بالا در تولید جریان سرد و گرم نقطه‌ای، کاربرد موثر در صنعت گاز و در کنار آن عدم وجود مطالعات کاربردی بر روی گاز طبیعی به عنوان سیال عامل لوله‌گردبادی، لزوم بررسی علمی بیشتر بر روی لوله‌گردبادی آشکار می‌گردد. هدف در این پایان‌نامه، ارائه لوله‌گردبادی با راندمان بالا است که بتواند با گاز طبیعی به عنوان سیال عامل به خوبی کار کند. پارامترهای اصلی در رسیدن به این هدف، یعنی افزایش بازده لوله‌گردبادی، عبارتند از نسبت اندازه‌ اجزائ مختلف لوله‌گردبادی، میدان جریان و دمایی درون لوله‌گردبادی و پارامترهای ترموفیزیکی جریان سیال. بطور کل، مطالعات انجام شده در این رساله، در سه بخش جمع‌بندی شده‌ است. مطالعات تجربی، مطالعات عددی و کاربردهای لوله‌گردبادی در صنعت گاز طبیعی. در بخش تجربی رساله، اثر پارامترهایی چون فشار ورودی گاز، مساحت اریفیس سرد، زاویه واگرایی اریفیس و مساحت نازل ورودی بررسی شده است. افزایش فشار سبب می‌شود که مومنتوم جریان ورودی افزایش یابد و در نتیجه چرخش بهتری درون محفظه گردبادی و جدایش بهتر دمایی در خروجی‌ها مشاهده ‌گردد. کاهش کسر جرمی بهینه نیز اتفاق می‌افتد. مساحت اریفیس به همراه سطح خروجی گرم متعادل‌کننده دبی خروجی سمت سرد و گرم می‌باشند. افزایش سطح اریفیس سبب می‌شود، جریان بیشتری از سمت سرد خارج شده و جریان برگشتی از سمت گرم راحت‌تر از اریفیس سرد عبور ‌کند. بالعکس کوچک شدن این سطح باعث می‌گردد، جریان سرد برگشتی از سمت گرم اختلاط بیشتری با جریان ورودی در محفظه گردبادی داشته باشد. همین موضوع، تعیین قطر بهینه برای اریفیس سرد را مهم می‌سازد. زاویه اریفیس سرد اثری مشابه با اثر سطح اریفیس دارد، اما افزایش این پارامتر نمی‌تواند بطور مداوم سبب افزایش کسر جرمی بهینه شود. با افزایش زاویه اریفیس سرد تا مقدار بهینه º1/4، کسر جرمی سرد افزایش می‌یابد. این افزایش نشان‌دهنده کاهش بیشتر فشار سمت سرد و در نتیجه عبور بیشتر جریان از این سمت است. اما افزایش زاویه از مقدار بهینه سبب کاهش جریان عبوری می‌شود. پیکربندی دیفیوزر شکل اریفیس سرد عامل این رخداد است. مقادیر بهینه که بصورت تجربی برای نسبت قطر اریفیس سرد، زاویه واگرایی اریفیس سرد و نسبت مساحت نازل بدست آمدند به ترتیب برابر با 64/0، º1/4 و 14/0 می‌باشند. برای بهبود در عملکرد لوله‌گردبادی معمول، لوله‌گردبادی دوجداره برای اولین بار در این پایان‌نامه معرفی شد. جریان در این طرح جدید، پس از عبور از شیر مخروطی اجازه پیدا نمی‌کند تا از خروجی گرم خارج شود، بلکه مجددا از روی لوله گرم می‌گذرد. این طراحی جدید باعث شد که در حداکثر دمای سرد و گرم به ترتیب حدود 5 و 2 درصد بهبود حاصل شود. در بخش مطالعات عددی، معادلات حاکم بر جریان و انتقال حرارت در لوله‌گردبادی، معادلات جریان آشفته برای سیال تراکم‌پذیر می‌باشد. برای دیواره لوله‌گردبادی، شرط عایق و برای ترم‌های سرعت بر روی دیواره، شرط عدم لغزش در نظر گرفته می‌شود. برای شرط مرزی معادلات k و ɛ به ترتیب از شدت توربولانس و قطر هیدرولیکی استفاده می‌شود. حل‌کننده از نوع حل بر پایه چگالی انتخاب شده است. نحوه انفصال ترم‌های جابجایی برای معادلات جریان از مرتبه دوم و برای انفصال ترم‌های جابجایی معادلات k و ɛ، از طرح کوئیک استفاده شده است. گاز متان به عنوان سیال عامل به عنوان گاز ایده‌آل و حقیقی در نظر گرفته شده است. برای بدست‌آوردن خواص گاز حقیقی متان، از معادلات ردلیخ‌وونگ استفاده شده است. در حل عددی مدل متقارن محوری و مدل سه بعدی لوله‌گردبادی مشاهده می‌شود که مدل متقارن محوری، حالتی از مدل سه بعدی است که در آن تعداد نازل‌ها زیاد فرض گردد. همچنین مشاهده شد که کسر جرمی سرد تابعی از فشار خروجی‌های گرم و سرد و نیز نسبت مساحت خروجی گرم و سرد است و فشار ورودی جریان بر این پارامتر تاثیرگذار نمیباشد. با افزایش فشار خروجی سرد، کسرجرمی سرد کاهش می‌یابد. افزایش فشار خروجی گرم کمک می‌کند، تا جریان از طریق خروجی سرد خارج شود و در نتیجه با افزایش فشار گرم در مقدار فشار سرد ثابت، کسر جرمی سرد نیز افزایش می‌یابد. همچنین افزایش سطح خروجی گرم باعث کاهش کسر جرمی سرد و افزایش اختلاف دمای سرد می‌شود. با افزایش نسبت سطح خروجی سرد، اختلاف دمای سرد و گرم و کسر جرمی سرد افزایش پیدا می‌کنند. در خاتمه، دو کاربرد لوله‌گردبادی در صنعت گاز طبیعی مورد بررسی قرار می‌گیرد. با جایگزینی لوله‌گردبادی بجای شیرهای انبساطی در سیکل‌های تولید گاز طبیعی مایع، افزایش تولید و در ایستگاه تقلیل فشار گاز، کاهش مصرف انرژی مشاهده می‌شود. در ایستگاه‌های تقلیل فشار گاز در فصول سرد، برای کاهش مصرف انرژی گرمکن جهت پیش‌گرمایش گاز طبیعی، استفاده از لوله‌گردبادی به همراه سیستم زمین گرمایی پیشنهاد شده است. این سیستم باعث صرفه‌جویی بیش از 90 درصدی گاز مصرفی گرمکن می‌شود. همچنین در تولید گاز طبیعی مایع از طریق سیکل‌ سرمایشی کوچک چندمبرده، جایگذاری لوله‌گردبادی باعث افزایش سه برابری تولید گاز طبیعی مایع خواهد شد.